電磁流量計作為一種{**}密的流量測量儀表，是通過一整套系統(tǒng)的相互相作而進行工作的，不僅要考慮到硬件因素，也要對軟件部分的工作效果進行評價與分析，本文通過對于用戶的實際需求及國內(nèi)外電磁流量計勵磁技術分析研究的的基礎上，提出并實現(xiàn)了以交流勵磁作為電磁流量計的勵磁方式、HART通信接口等功能。特別是對于抗干擾的性能提出了更為理想的解決方法。通過分析了軟硬件各種抗干擾措施、用戶的需求，運用先進的微處理器(ARM)與數(shù)字信號處理器(DSP)相結合的高性能、通用化的計算單元，以軟件抗干擾與硬件抗干擾協(xié)同作業(yè)的方法，比較好地克服了傳統(tǒng)工頻交流勵磁方式下的各項干擾，更在人性化、智能化、操作簡便性和維護方便性的方面融入了紅外遙控、WEB服務器接口等功能，實現(xiàn)了電磁流量計的較{**}化的設計方案。
1.電磁流量計方案選擇
考慮到高端電磁流量計除滿足流量結算、累積流量、空管檢測等一般功能需要，還要有HART通信、WEB服務器等功能，以及實現(xiàn)數(shù)字濾波算法的需要，所以本系統(tǒng)在電磁流量計轉(zhuǎn)換器的核心結構上采用ARM DSP方式，組成一個高性能的計算平臺。并由于雙處理器板間通信布線的限制以及通用性的要求，進而選擇了可編程邏輯器件，來實現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信。
采用ARM DSP的結構可以完成多項并行任務和復雜算法這兩方面高端電磁流量計核心處理能力的需求；在通信上，傳統(tǒng)的一般選用通用的邏輯器件，這樣功耗大，布線麻煩，抗干擾性差，可實現(xiàn)的組合邏輯或時序邏輯功能簡單，而采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)可以實現(xiàn)復雜的時序邏輯，和復在的脈沖聲稱功能，器件本身還具有在線調(diào)試功能，抗干擾性強的特點，所以在ARM和DSP兩顆核心處理器上的通信上復雜可編程邏輯器件成為{**}選。
2.電磁流量計硬件結構設計
通過對電磁流量計的方案選擇，并綜合國內(nèi)外電磁流量計產(chǎn)品的智能化、集成化、網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢，硬件系統(tǒng)結構如圖所示。
硬件系統(tǒng)框圖
電磁流量計的硬件子系統(tǒng)主要由雙處理器模塊、可編程邏輯器件模塊、信號輸入模塊、勵磁輸出模塊、信號輸出模塊、HART接口模塊、WEB服務器接口模塊、顯示模塊、調(diào)試接口模塊、電源模塊等組成。各模塊的功能描述如下：
雙處理器核心模塊：由ARM處理器、DSP處理器、Flash、SRAM、FRAM以及相關電路構成較小系統(tǒng)，同時軟件系統(tǒng)的硬件平臺。
可編程邏輯器件模塊：利用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信，并產(chǎn)生4-20mA電流輸出脈沖、流量積算脈沖。
信號輸入模塊：將傳感器輸出的電極弱信號、參考信號以及反饋的勵磁信號進行放大以及轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便送入數(shù)字信號處理器(DSP)進行軟件濾波處理。
勵磁輸出模塊：通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出低幅值產(chǎn)生勵磁信號，并通過功率放大輸出給傳感器，勵磁信號方式由DSP控制產(chǎn)生。
信號輸出模塊：由程序控制的4-20mA電流、流量積算脈沖輸出，模擬輸出電路得到簡化。
HART接口模塊：ARM的UART1接口作為與HART輸出板的接口，以便實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的接口。
WEB服務器接口模塊：由10M以太網(wǎng)控制芯片構成，以便軟件上實現(xiàn)用戶的遠程在線修改儀表參數(shù)等功能。
顯示模塊：由51單片機、紅外遙控接收器、OLED顯示屏和按鍵組成，方便用戶操作、觀察流量信息。用戶可以通過按鍵或紅外遙控器進行系統(tǒng)參數(shù)設定，并有OLED顯示屏顯示瞬時流量、累積流量，同時為了滿足不同語種的要求，本系統(tǒng)還可以顯示英文界面。
調(diào)試接口模塊：由JTAG接口和ISP接口組成。
電源模塊：為整個系統(tǒng)提供多種等級的穩(wěn)定可靠的電源。
3.電磁流量計軟件功能設計
軟件系統(tǒng)主要包含如下模塊：信號采樣模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊、人際交互模塊、芯片間的通訊程序模塊和數(shù)字濾波模塊。
3.1信號采集模塊
信號采集模塊完成對電極信號、參考信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號的采集功能，在系統(tǒng)實現(xiàn)上，它是通過數(shù)字信號處理器(DSP)的中斷來接受A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了高{**}度的A/D轉(zhuǎn)換器復雜可編程邏輯器件，此A/D芯片可以采集六路信息，它與DSP芯片直接相連，相互間的接口為DSP的多通道緩沖串行接口(McBSP)，要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，必須先初始化A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)中是通過DSP中斷程序1來實現(xiàn)給A/D送控制字，DSP中斷程序2來采集需要的六路數(shù)據(jù)。
3.2系統(tǒng)監(jiān)控模塊
系統(tǒng)監(jiān)控模塊主要包含系統(tǒng)自診斷模塊、系統(tǒng)功能檢測模塊、系統(tǒng)錯誤報警模塊和系統(tǒng)日志模塊。
系統(tǒng)自診斷模塊完成對系統(tǒng)工作狀態(tài)的診斷，判斷系統(tǒng)工作是否正常，系統(tǒng)是否處于異常狀態(tài)，根據(jù)不同的現(xiàn)象給出對應的出錯報警。
系統(tǒng)功能檢測模塊完成系統(tǒng)可實現(xiàn)功能檢測，檢測的功能包括系統(tǒng)的顯示、系統(tǒng)瞬時流量的仿真輸出、系統(tǒng)的電流輸出、系統(tǒng)的脈沖輸出、被測流體的流向、數(shù)據(jù)存儲器件FRAM、空管檢測、{**}緣檢測、各參數(shù)的手動或自動調(diào)整，系統(tǒng)報警設置、累計流量復位。
系統(tǒng)錯誤報警模塊完成系統(tǒng)由于異常事件而引起系統(tǒng)工作不正常，流量超過規(guī)定范圍等給出出錯報警。
系統(tǒng)日志模塊完成系統(tǒng)工作情況的記錄，如系統(tǒng)掉電次數(shù)、DSP復位記錄、出錯次數(shù)記錄和出錯內(nèi)容、報警次數(shù)和報警內(nèi)容。系統(tǒng)工作的勵磁頻率，系統(tǒng)的工作上下限，系統(tǒng)已完成的累計流量歷史記錄。這是增加系統(tǒng)與用戶友好交互的一個功能。
3.3系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊
系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊完成系統(tǒng)進行的算法，包括瞬時流量的計算、累計流量的計算、勵磁系數(shù)的調(diào)整、電流輸出的計算、脈沖輸出的計算、系統(tǒng)工作零點調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)電氣零點調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)標定系數(shù)調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)正負滿量程調(diào)節(jié)算法、瞬時流量表示方式轉(zhuǎn)換算法等。
3.4人機交互模塊
人機交互模塊包括顯示模塊、按鍵檢測模塊和外部觸發(fā)處理模塊。
顯示模塊完成被測流體流向的顯示、瞬時流量多種表示方式的顯示、累計流量多種表示方式的顯示、勵磁系數(shù)放大增益的顯示、電極數(shù)值的顯示、參考數(shù)值的顯示、系統(tǒng)菜單的顯示、系統(tǒng)錯誤報警的顯示等20多種顯示信息。
按鍵檢測模塊完成按鍵被按下后所代表的數(shù)值，通知系統(tǒng)進行相應的操作。
外部觸發(fā)處理模塊完成外部觸發(fā)按鈕的響應任務，本系統(tǒng)設計的外部觸發(fā)按鈕主要是外部芯片復位、外部調(diào)零、外部累計流量復位。
3.5芯片間數(shù)據(jù)通信模塊
數(shù)據(jù)通信模塊完成ARM微處理器將DSP程序下載到DSP芯片的內(nèi)部RAM中，以及ARM微處理器和DSP數(shù)字信號處理器之間數(shù)據(jù)的交換。本通訊模塊是建立在DSP芯片內(nèi)部具有的主機接口部件之上的，通過對它的編程設計來實現(xiàn)ARM微處理器和DSP實時數(shù)據(jù)傳輸。
3.6數(shù)字濾波模塊
數(shù)字濾波模塊完成對由A/D采集過來數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波。本模塊十分重要，它是在模擬濾波器無法消除各項干擾信號的基礎上提出來的，它濾波效果的好壞直接影響到系統(tǒng)的零點穩(wěn)定性、系統(tǒng)的{**}度要求。為了消除由于工頻正弦波勵磁而引起的系統(tǒng)零點不穩(wěn)定，我們通過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的研究和分析，得出在某一頻段范圍內(nèi)，工業(yè)現(xiàn)場周圍環(huán)境對系統(tǒng)零點的影響幾乎不存在，因此，我們提出了用本段頻率作為正弦波的勵磁頻率，通過所設計的數(shù)字濾波器將其它干擾信號除去后，系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)均以此為基準，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的零點穩(wěn)定，高{**}度的要求。
實驗室和現(xiàn)場用戶級測試表明，該系統(tǒng)具備良好的抗干擾能力以及穩(wěn)定性，對固液兩相難測流體如砂漿、礦漿等具有良好的應用效果，流量輸出晃動等主要技術指標有明顯{**}勢。